Авиация из бумаги

      ВСТУПЛЕНИЕ
     
      Авиация? Из бумаги?
      В какой мере это осуществимо и можно ли найти здесь что-либо интересное и поучительное? Кому неизвестно, что человек, желающий получше ознакомиться с вещью, обязательно норовит ощупать или хоть дотронуться до нее рукой — впечатление только на-глаз далеко не столь убедительно. Так и в отношении к авиации. Мало того, чтобы читать про нее в книжках и журналах или любоваться самолетами в воздухе или на аэродроме. Надо помастерить собственными руками, надо проделать простейшие опыты — да, проще всего именно с бумагой — и тогда многое, кажущееся чтении не совсем понятным, мало вразумительным, или даже недоступным, сразу приобретет другой вид, разукрасится иными красками.
      Поучительность обеспечивается тем, что с помощью простейших приготовлений из бумаги можно практически ознакомиться с самыми различными способами и возможностями механического летания на простых приёмах с помощью игрушек.
      Будет ли такая работа достаточно интересной? Мы полагаем, что для молодежи с творческими задатками это не может быть не интересным, поскольку рекомендуемые здесь самоделки будут осуществляться на деле и не только будут испытываться, но и усовершенствоваться.
      Условимся еще, что же будет разуметься здесь под многоговорящим словом «авиация». «Авис» (avis) — по-латыни — птица. Отсюда французы произвели в шестидесятых годах прошлого века слово «авиация» как название той области, где человек, стремясь подражать птице, отказывается от применения газа, более легкого, чем воздух, и сосредоточивает свои попытки на осуществлении летания с помощью механических машин тяжелее воздуха. С разрешением основной задачи в техническом отношении и с громадным развитием механического летания в применении к запросам практической жизни под выражение «авиация» пришлось подводить совокупность всех достижений человечества в этой области (т. е. именно в механическом летании).
      Наша задача здесь сильно ограничена: будем познавать практически приемы механического полета, занимаясь с бумажными самоделками.
      С другой стороны, хочется показать, что многие из окружающих нас явлений, даже в быту, имеют в своей основе те же законы физики и механики (в частности аэродинамики), которые владычествуют в авиации, вот это приближение авиации к прочим жизненным явлениям, низведение ее с атмосферных высот на землю, в комнатную обстановку или в поле тоже признается нами небесполезным и небезынтересным для молодых модельщиков.
      * Надо иметь в виду, что летание с помощью легких газов носит условное название — «воздухоплавание»; все вопросы этого рода изъяты из рассмотрения в этой книжке.
     
     
      I. О СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ВОЗДУХА
     
      Воздух и работа в нем
     
      Вспомним прежде всего, что представляет собой тот воздух, в котором мы хотим производить опыты. Рассматривая его как физическое тело, мы скажем, что это газ известного состава (какого — здесь совершенно неважно), один куб. метр которого весит в нормальных условиях у земли 1,29 кг. Как газ воздух обладает и всеми свойствами газов, из коих более существенным в нашем рассмотрении будет способность «разливаться» в пространстве, стремясь занять наибольший объем. Отчасти надо указать и на подверженность воздуха температурным влияниям самой атмосферы, в результате чего образуются разнороднейшие течения: ветры более или менее горизонтального направления, вертикальные токи — восходящие и нисходящие — и всевозможные циркулирующие вихри, начиная с малейших смерчей, которые можно воспроизвести на блюдце, и кончая циклонами, протяжением на тысячи километров.
      При передвижении в воздухе разных инородных тел или, обратно, при перемещении самого воздуха относительно других твердых тел, возникает сила сопротивления (реакции), которая играет в авиации крупнейшую роль. Всестороннее исследование этой силы вместе с другими силами, возникающими при разныхусловияхотносительного перемещения воздуха и твердых тел всевозможной формы, составляет главный предмет рассмотрения аэродинамики. При этом сущность явления меняется очень мало, если движение твердого тела в спокойном воздухе заменить набеганием воздушного потока на неподвижно стоящее тело.
      На практике чаще получают технический эффект для того или иного использования движения самого рабочего тела, например: крыла самолета — для поддержания его, лопасти пропеллера — для тяги воздушного судна или лопасти вентилятора — для прогонки воздуха. Но бывают и обратные случаи: так, ветер приводит в движение ветряную мельницу, загоняет высоко вверх воздушный змей или, как предлагается проделать самому читателю ниже, восходящий поток воздуха крутит ветрянку.
      В опытной же аэродинамике, в лабораториях, где производятся всевозможные исследования и измерения действующих сил, там применяется, главным образом, второй метод: испытываемая модель удерживается в неподвижном положении в особой трубе, в которой создается соответствуюшей силы искусственный воздушный поток. Во всех этих случаях за твердым телом, назначенным для получения в воздухе той или иной работы, устанавливается название крыла.
      Здесь нужно сделать небольшое разъяснение.
      Мы говорим о тех случаях относительного перемещения твердых тел в воздухе, когда имеется в виду получить полезную работу за счет именно взаимодействия сил в самом воздухе. Так используется работа крыльев аэроплана, лопастей пропеллера, ветровых колес ветродвигателей и т. п. Но во многих случаях относительное перемещение в воздухе отнюдь не является самоцелью, а лишь средством или неизбежным путем в явлениях совершенно иного рода. Возьмем, например, такие явления, как падение кирпича с крыши дома, полет артиллерийского снаряда или разрушение бурей, т. е. силой одного только воздуха, какого-нибудь строения. Аэродинамика рассматривает, и подобные случаи, выявляя одинаково и скорости падения дождевых капель в разных слоях атмосферы, и законы, по которым ложатся снежинки за забором при ветре, и баллистические условия при артиллерийской стрельбе. В нашем же рассмотрении здесь, поскольку речь идет об авиации, остаются почти исключительно такие явления, которые создают работу, предназначенную быть использованной как самоцель. Поэтому усвоению понятия о работе крыла как о рабочем элементе, призванном создавать полезный эффект, отдается наибольшее внимание.
     
      Опыт с тремя листками
     
      Проделаем для наглядности такой опыт.
      Возьмем половину газетного листа и разрежем его на четыре части. Если один из. полученных листков выпустить из рук, держа его горизонтально, с высоты головы или став предварительно на стул, то листок (в спокойном воздухе) будет падать медленно, колеблясь в разные стороны; траектория (путь) его падения будет самой неопределенной, в виде причудливой, зигзагообразной линии. Возьмем другой такой же листок, сомнем его в кулаке, и полученный комок так же вы пустим из руки, как и в первом случае; комок упадет прямо на пол, его траектория будет — отвесная прямая линия. Наконец с третьим листком, повозившись, правда, подольше, можно осуществить спуск по наклонной линии либо в одном направлении, либо даже с кружением (спиралью). Для это придется лишь с длинной стороны листка сделать несколько складок, шириной, примерно, в палец, чтобы получилась утолщенная и утяжеленная кромка; когда ширина листка сократится при этом до размера в 1/3 или 1/4 длины его, то надо отогнуть концы листка вверх, как указано на рис. 1 (такой листок может быть прообразом работы настоящего «крыла»).
      Pиc. 1. Листок из газеты как планёр.
      После нескольких или многих проб (подробнее о них говорится ниже), регулируя сложенную кромку и отгибы на концах, легко добиться того, чтобы выпущенный из рук листок не падал «мертвым листом», как в первом случае, или камнем, как скомканный второй листок, а совершал бы плавные спуски наподобие планирования.
      В чем же разница в этих трех случаях? Ведь мы брали совершенно одинаковые листки и одинаково выпускали их из рук, с одной и той же высоты, без подталкивания или бросания; значит, и сила тяжести, действовавшая во всех случаях, была тоже повсюду одинаковой.
      Почему же такое резкое различие в поведении наших листков?
      Конечно, этой причиной является сила реакции, т. е. противодействие или сопротивление воздуха, которое в рассмотренных случаях сказывается совершенно по-разному.
      Как воздух ни редок, сравнительно с твердыми или даже с жидкими телами, но с величиной его сопротивления неизбежно приходится считаться везде там, где поверхность тела сравнительно велика и где в особенности принимает большие значения скорость относительного перемещения.
      В нашем первом примере при громадной поверхности тела, сравнительно с его ничтожной толщиной, листок встречал очень большое сопротивление воздуха, а следовательно, и большую поддержку; падая медленно, при случайном характере внешнего воздействия и при полном отсутствии собственной устойчивости, он метался из стороны в сторону без всякой дисциплины. Во втором случае мы имели собственно уже не листок, как таковой, а комок из бумажного материала, которому воздух оказывал очень слабое сопротивление.
      Наконец в третьем случае была применена дисциплина, чтобы придать случайному движению первого листка определенный режим, за счет, конечно, целесообразного использования силы реакции воздуха.
     
      Аэродинамические формы без работы
     
      Явления, аналогичные трем описанным опытам, . были подвергнуты длительным и всесторонним исследованиям теоретически и, главным образом, экспериментально (т. е. опытным путем) в аэродинамических лабораториях. И в результате были выработаны законы, основная сущность коих сводится к следующему.
      Рис. 2. «Аэродинамическое тело» наилучшей обтекаемости. Маленький кружок в середине его, поставленный перпендикулярно к движению, оказывает в воздухе такое же сопротивление, как и все тело.
      Скорость свободного падения твердого тела в воздухе при неизменном его весе зависит от формы тела, обеспечивающей наименьшее сопротивление воздуха, и от наличия специальных органов, способных предотвратить опрокидывание тела в лету (для обеспечения одинакового положения тела относительно траектории). Наилучшая аэродинамическая форма тела, представляющая в воздухе наименьшее сопротивление, — это веретенообразная или каплевидная, с закругленной головной частью и с вытянутой кормой (см. рис. 2); при этом длина тела должна превосходить его наибольший диаметр примерно в шесть раз, при расположении наибольшего диаметра в расстоянии одной трети длины тела от его головы. Тело описанной идеальной аэродинамической формы представляет такое же сопротивление в воздухе, как круглая пластинка, стоящая перпендикулярно к направлению движения и имеющая площадь в 30 раз меньше площади наибольшего поперечного сечения тела. Понятно, что подобные аэродинамически обтекаемые тела будут иметь наименьшее сопротивление в воздухе одинаково как при вертикальном падении, так й при горизонтальном перемещении, лишь бы продольная ось тела совпадала с направлением относительного движения. Последнее условие, обеспечивающее тело от опрокидывания, выполняется введением в его кормовой части крестообразного оперения (см., например, на рис. 13). Вот этот основной закон о сопротивлении тел по форме и предопределил вид оболочек дирижаблей (вспомните цеппелины) и воздушных бомб, бросаемых с воздуха; для обоих случаев одинаково важно лишь уменьшить до минимума сопротивление воздуха, без преследования специальных рабочих задач.
      Другое дело, когда требуется, чтобы падающее тело имело скорость падения не наибольшую, а наименьшую. Ясно, что это может быть достигнуто за счет увеличения сопротивления воздуха, т. е. увеличением поверхности тела, перпендикулярной к направлению его движения (как было выше в первом случае с бумажным листком). Практика показала, что наиболее подходящим видом для этой цели будет зонтичная поверхность; но чтобы предохранить ее от метаний из стороны в сторону, как было с нашим листком, снизу к зонтичной поверхности подвешивается на стропах (веревках) нагрузка. Таков парашют, служащий для медленного, безопасного спускания с высоты людей, например при авариях в воздухе или для сбрасывания грузов и почты.
      Работа крыла (...)
     
     
      II. ПРОСТЕЙШИЕ АВИОМОДЕЛИ
     
      Крылатые звездочки
     
      Часто можно видеть в уличной продаже одну детскую игрушку, которая существовала, несомненно, задолго до рождения авиации, но которая
      послужит нам сейчас простейшим средством для наглядного демонстрирования свойств воздуха, оказывающего сопротивление.
      Рис. 8. «Крылатые звездочки»: а — общий вид, б — заготовка бумаги, в — звездочка в готовом виде.
      Эта общеизвестная игрушка (рис. 8) состоит из нескольких сбитых вместе деревянных палочек, по концам которых насажены на булавках бумажные звездочки, обычно разных цветов. Все развлечение с такой игрушкой заключается в том, что звездочки вертятся безо всякого привода к ним, одинаково при держании их на месте против ветра и приъ быстрой ходьбе или беге с ними в спокойном воздухе.
      Сделаем такую звездочку сймй. Вырезав из бумаги квадрат, сторона которого была бы равна примерно ширине ладони, согнем его сперва по одной диагонали, а потом по другой (на крест из угла в угол); расправив листик снова, сделаем ножницами надрезы по следам сгибов из каждого угла до половины каждой полудиагонали (рис. 8 б). Таким образом, в квадратике выйдет уже не четыре, а восемь уголков, сведенных попарно. Проткнув центр фигуры булавкой, на нее накалывают затем четыре уголка, беря их последовательно с чередованием через один, если итти по обводу квадрата; соответствующие проколотым уголкам четвертушки квадрата образуют при этом изогнутые лучи звездочки (см. рис. 8 в). После накола уголков надо вынуть булавку и вновь вставить ее с противоположной стороны, предварительно сжав двумя пальцами все проколотые уголки с серединой фигуры.
      Что же происходит при игре?
      Звездочка вертится на булавке от проникновения воздуха в изогнутые ее лучи, как мельничное колесо от течения воды. При этом рабочей частью звездочки будет, конечно, та сторона, где в центре наколоты отогнутые утолки, тогда как гладкая в середине спинка остается нерабочей. Каждый луч звезды может быть уподоблен лопасти или, как мы назвали выше, крылу, работающему при наличии угла встречи от давления воздуха. В том случае когда игрушка стоит на месте против. ветра, звездочки работают как вентилятор или как ветрячки, подобно, например, ветряным мельницам. Если же с игрушкой бежать независимо от ветра, держа звездочки рабочей стороной, конечно, вперед, то они будут крутиться, как ветрянки или вертушки, которые ставятся, например, на самолетах для производства небольших подсобных работ в лету (например, для перекачки бензина, для вращения генератора радиоустановки и т. д.).
      При всем несовершенстве и примитивности наших крылатых звездочек в аэродинамическом отношении, они все же являются своего рода ветровыми колесами или пропеллерами, работающими по принципу крыла. Бумагу для них надо выбирать тонкую, но поплотнее (лучше писчая, почтовая или цветная глянцевитая1).
      1 Качество бумаги далеко не безразлично; помимо ее веса играет роль и глянцевитость поверхности, уменьшающая величину трения в воздухе.
      Для разнообразия звездочки можно делать с вращением в разные стороны (сравнительно с рис. 8в надо отогнуть другие четыре уголка).
     
      Термические вертушки
     
      Подобно звездчатым ветрянкам, вертящимся от того или иного горизонтального потока воздуха, можно столь же просто и легко сделать из бумаги игрушки, вращающиеся от воздуха на вертикальной оси. На рис. 9 показана такая многолопастная вертушка, крутящаяся от вертикального тока воздуха. Такие токи существуют в атмосфере в изобилии, и если о них вообще знают мало, то это объясняется, главным образом, тем, что, живя на поверхности земли, человечество до самого последнего времени интересовалось почти исключительно ветрами горизонтального направления, или, вернее говоря, только горизонтальными направлениями существующих ветров, тогда как по существу почти всякий ветер имеет направление, отличное от горизонтального (с тем или иным восхождением или нисхождением). Восходящие токи воздуха образуются в природе или механически или термически. В первом случае это происходит в результате отражения ветров, горизонтальных, от склонов возвышенностей и долин, а во втором случае — от всплывания в атмосфере частиц воздуха, нагревшихся и потому стремящихся подняться в среде менее нагретых частиц. Оба случая легко воспроизвести искусственно: или с помощью продувания трубки, или над каким-либо греющим или горящим прибором (над горячей плитой, над лампой).
      Турбинка, изображенная на рис. 9, делается из тонкого картона или из толстой бумаги, лучше глянцевитой. Для получения угла встречи лопасти ее однородно загибаются в одну сторону (устройство ясно из чертежа).
      Рис. 9. Бумажная заготовка для термическом вертушки.
      Рис. 10. Вертящаяся спираль над лампой.
      Такая игрушка, помещенная над стеклом керосиновой лампы, будет безостановочно крутиться во все время горения. В измененном виде такой же забавой может быть вы резанная из плотной бумаги спираль (рис. 10) наколотая внутренним концом на заостренный конец проволоки. Так как каждый виток спирали свешивающийся вниз, расположен наклонно, то при помещении ее над горячей кухонной плитой или над стеклом зажженной лампы спираль будет вращаться от восходящего тока воздуха в ту сто рону, куда обращен ее наружный конец.
      С небольшой вертушкой можно показывать даже фокус. Вырежем из тонкой писчей или почтовой бумаги квадратик со стороной примерно в 5-6 см и сложим его один раз по одной диагонали, затем сложенный треугольник сложим пополам через прямой угол, а вновь полученный треугольник — точно так же пополам в третий раз. Потом листок надо разгладить, сделать в нем надрезы по всем следам загибов и удалить треугольники, заштрихованные на чертеже (рис. 11), оставив в центре лишь небольшую втулку. Получится своего рода четырехлопастный пропеллер, если в каждой его лопасти отогнуть по одной кромке вниз (рис. 11 — внизу). Такой пропеллер со свешивающимися лопастями, надетый на булавку, будет вращаться, — правда, не быстро, — если его просто держать в раскрытой ладони благодаря слаббму восходящему току — теплу от ладони.
      Рис. 11. Бумажная вертушка для опытов в ладони: вверху — заготовка, внизу — в готовом виде.
     
      Мотыльки-парашюты
     
      В ясный летний день, под вечер, из окошка выбросили на двор, где играли ребятишки, массу каких-то разноцветных лепестков. Сначала эта
      масса сыпалась сверху беспорядочно, а потом, с разделением лепестков, каждый из них запорхал по разделености, грациозно отделяясь и медленно опускаясь в чуть волнующемся воздухе. Надо ли говорить о том, что дети оставили свои игры и бросились врассыпную ловить причудливые мотыльки.
      Подберем и рассмотрим такой мотылек. Вот уж действительно простая «конструкция»: две полоски тонкой бумаги, шириной примерно в мизинец и длиной от 10 до 15 см, скручены вместе одним концом приблизительно на две трети своей длины, тогда как по одной трети каждой полоски торчат с другого, конца раструбом (рис. 12). Получается нечто в роде лепестка из скрученного стебелька и двукрылого венчика. Испытаем такой мотылек в комнате, предварительно расправив его лопасти примерно под прямым углом одна относительно другой и дав им некоторый взаимный перекос. Держа мотылек за верхнюю часть стебелька — венчиком, конечно, вверх, — опустим его с высоты готовы, став на стул или на стол. После некоторого падения лепесток закрутится и будет падать медленнее, образуя как бы сплошной венчик, похожий на вьюн.
      Какую аэродинамическую базу можно подвести под эту детскую забаву?
      Рис. 12 Вьюнок-парашют.
      Во-первых, мотылек, несомненно, парашютирует, так как его крылышки тормозят падение. При этом форма венчика раструбом, с висящим вниз стебельком, обеспечивает хорошую устойчивость; в теории доказывается, что сплошная коническая форма парашюта с вершиной вниз, мало удобна для практического использования. В смысле устойчивости даже целесообразнее обычной зонтичной поверхности.
      Во-вторых, от встречного сопротивления воздуха вьюнок вертится вокруг вертикальной оси, причем перекошенные концы полосок работают, как настоящее аэродинамическое крыло. В результате к парашютированию прибавляется еще, правда, очень слабое, торможение от работы венчика как пропеллера (как бы геликоптерный винт).
      Явление выигрывает, если его демонстрировать в высокой комнате около горячей печки или на раскаленной от солнца песчаной или мощеной площадке — везде, где можно ожидать восходящие токи, — желательно при отсутствии ветра.
     
      Летучие стрелы и пули
     
      После авиоигрушек с торможением в воздухе вспомним о забавах, где, наоборот, применяются верные средства аэродинамики для обеспечения большей скорости бросаемых предметов.
      Кому не известны стрелы для лука, имеющие в хвостовой части оперение, чтобы обеспечить им лучшую устойчивость в воздухе? Такое оперение, приспособленное к старому стальному перу, обращает и его в летучую стрелу, годную для метательных упражнений силой одной руки. Устройство летучей стрелы ясно из чертежа (рис. 13 а).
      Рис. 13. Летучие стрелы: а — школьная самоделка, б — стальной карандаш и в — летучая пуля.
      В перышке расщеплена верхняя часть и отломана одна половинка осфия. Оперение, вставляемое и расщеплину, легко складывается из бумажного квадратика или круга после перегибов его по образцу (рис. 11 а). Если летучую стрелу бросать с соблюдением осторожности высоко вверх, то можно видеть, как хорошо она развивает скорость, сравнительно, например, с перышком без оперения.
      Летучие стрелы можно применять в состязаниям на меткость попадания в цель на стене или на полу (при бросании вверх).
      Серьезные игрушки такого же рода применялись в мировой войне для нанесения поражений живым целям на земле с самолетов, без всякого использования огнестрельным оружием. Помимо стальных стрел в виде заостренных карандашей с выдолбленными в другом конце четвертушками (рис. 13 б), применялись специальные летучие пули из свинцового сплава (рис.13в). Здесь не только есть оперение, но и форма соблюдена строго аэродинамическая, хорошо обтекаемая для достижения большей скорости. Обычная ружейная пуля, выброшенная из самолета с любой высоты, имеет незначительный предел наибольшей скорости своего падения, обуславливаемой ее кувырканием и большим сопротивлением воздуха; поэтому такая пуля почти безопасна для людей. Летучая же пуля, изображенная на (рис. 13 в), выброшенная с высоты в 1,5-2 тыс.м, пронзает насквозь человека или животное во всю высоту. Вот как велика разница в скоростях, достигаемая за счет уменьшения сопротивления воздуха, кажущегося ничтожным.